因?yàn)?a class="innerlink" href="http://www.jysgc.com/tags/LED" title="LED" target="_blank">LED照明所追求的并不完全在于技術(shù)本身，照明本身的功能也并不全然是為須要照亮而亮，當(dāng)然創(chuàng)新包括在光機(jī)電熱技術(shù)的整合突破，另外亦須兼顧消費(fèi)者在視覺(jué)、觸覺(jué)等感官的價(jià)值。LED的應(yīng)用范圍極為廣泛，現(xiàn)就針對(duì)照明應(yīng)用系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題及開(kāi)發(fā)的方向一一探討。
不同照明應(yīng)用的LED性能要求迥異
為擴(kuò)大LED光源市場(chǎng)接受度，其須達(dá)到功能性要求的必要性，并不是每種LED照明光源都必須追求最高發(fā)光效率、最低價(jià)格、最高演色性、最長(zhǎng)壽命等，而是依據(jù)應(yīng)用不同而有所差異，現(xiàn)以室內(nèi)照明中的一般辦公室工作照明、閱讀照明及未來(lái)家用燈泡置換照明市場(chǎng)為例談起。
對(duì)于LED光源首要追求的是達(dá)到最佳的性?xún)r(jià)比，在安全保證的情況下，得到最高的流明輸出、最小的消耗電能及最低的價(jià)格。因?yàn)閷?duì)于消費(fèi)者大眾而言，比較傳統(tǒng)其他光源，花最少錢(qián)能買(mǎi)到最具經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)品是購(gòu)買(mǎi)的主要?jiǎng)恿χ弧Ｖ劣谑欠襁_(dá)成無(wú)紫外線(xiàn)、不含汞、高演色性、5萬(wàn)小時(shí)壽命等營(yíng)銷(xiāo)的附加價(jià)值并非擴(kuò)大市場(chǎng)接受度的主因。當(dāng)然品牌代表某種程度的質(zhì)量信賴(lài)，此外視覺(jué)感官對(duì)于顏色喜好也會(huì)有所影響，因此如何創(chuàng)新設(shè)計(jì)適合市場(chǎng)需求的LED光源，將是技術(shù)面要探討的課題。
LED光源的發(fā)光效率發(fā)展至今，已超越絕大部分傳統(tǒng)光源(圖1、2)，唯獨(dú)少部分低壓或高壓放電光源的效率可以一較高下，但就電源控制和驅(qū)動(dòng)上，體積與溫度又各自有其優(yōu)缺點(diǎn)，以下將就LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一環(huán)節(jié)說(shuō)明。
圖1 1995～2020年LED發(fā)光效率演進(jìn)
圖2 LED照明利基市場(chǎng)
創(chuàng)新制程/AC LED實(shí)現(xiàn)高效能芯片
市場(chǎng)上的LED磊芯片，無(wú)論是Cree的垂直組件、飛利浦(Philips)Lumileds的覆晶組件或日亞(Nichia)、晶元光電等平面式的組件，為求優(yōu)化芯片本身的效能，不外乎利用不同的基材(透光、導(dǎo)熱考慮)搭配光學(xué)反射層的效率(反射出光)；上/下粗化結(jié)構(gòu)(改變反射、折射增加出光)；線(xiàn)路光罩設(shè)計(jì)(增加出光面積改善電流分布密度，以降低驅(qū)動(dòng)電壓增加出光效率)；芯片尺寸優(yōu)化的調(diào)整；再加上磊晶制程參數(shù)變異調(diào)整等來(lái)達(dá)到芯片最高的光電轉(zhuǎn)換效率，在每一制程中鉆研材料和制程所能提供增加轉(zhuǎn)換效率的方法。
至于哪種結(jié)構(gòu)是最佳的創(chuàng)新設(shè)計(jì)？就發(fā)光效率而言，或許垂直組件較優(yōu)；但就室內(nèi)照明中的一般辦公室工作照明、閱讀照明及未來(lái)家用燈泡置換照明市場(chǎng)的制造成本而言，臺(tái)灣目前平面式芯片則在性?xún)r(jià)比上遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)外大廠。另外，在芯片端的應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，除了由制程改善去創(chuàng)新整體芯片效益外；交流電(AC)LED的誕生，使LED照明應(yīng)用不僅有直流芯片串并聯(lián)的選擇，而能有交流市電直接驅(qū)動(dòng)，因此可減少變壓器的成本、產(chǎn)品內(nèi)部空間、驅(qū)動(dòng)電路規(guī)格迥異、變壓器效率損耗及質(zhì)量壽命等問(wèn)題，大大簡(jiǎn)化模塊及產(chǎn)品設(shè)計(jì)端的問(wèn)題。然而目前在市場(chǎng)消費(fèi)端面臨的創(chuàng)新所衍生的其他問(wèn)題也隨之而來(lái)，其一為產(chǎn)生因創(chuàng)新導(dǎo)致消費(fèi)者出現(xiàn)陌生的疑慮，而在消費(fèi)行為上遲疑膽怯，此消費(fèi)群未必是終端消費(fèi)大眾，而是LED照明產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的中下游購(gòu)買(mǎi)者，其會(huì)對(duì)產(chǎn)品因陌生而遲疑、對(duì)交流電性的不了解或?qū)Ξa(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)的不確定性，而不敢創(chuàng)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)；其二是創(chuàng)新令消費(fèi)大眾觀望，但卻令消費(fèi)族群中的嘗鮮族雀躍。然而前兩者問(wèn)題可在LED中下游供應(yīng)鏈中透過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試手段厘清疑慮，進(jìn)而創(chuàng)造產(chǎn)品市場(chǎng)區(qū)隔和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
創(chuàng)新封裝設(shè)計(jì)需求日益殷切
封裝設(shè)計(jì)以早期的燈源型態(tài)到塑料無(wú)接腳芯片承載封裝(PLCC)側(cè)面(Side View)或上面(Top View)型態(tài)，均以單晶或多芯片封裝型式存在，驅(qū)動(dòng)電流在120毫安以下居多，早期以3C消費(fèi)性電子產(chǎn)品如手機(jī)屏幕背光、數(shù)字相框背光、筆記本電腦屏幕背光等，但進(jìn)入到一般照明后，仍有眾多廠商以小瓦數(shù)PLCC封裝組件作為光源，再結(jié)合多顆光源實(shí)現(xiàn)燈具產(chǎn)品的光源模塊(圖3)，在LED光源封裝并未應(yīng)用到創(chuàng)新的設(shè)計(jì)。
圖3 多顆LED光源組合的照明模塊
創(chuàng)新投射/泛光型封裝須面面俱到
對(duì)于泛光型燈泡或聚光型光源，如E27型的球泡燈、PAR燈、AR111、MR燈、鑲?cè)雿€入式筒燈、軌道頭射等光源產(chǎn)品而言，會(huì)在LED封裝光源上趨向于單點(diǎn)高流明輸出(投射型)(圖4)/多點(diǎn)組合輸出(泛光型)(圖5)、高演色性(CRI>80)、低熱阻系數(shù)(<3k/W)、光色溫的均勻度、增溫下的色溫偏移、長(zhǎng)壽命/高可靠度等，如何從封裝(圖6)角度創(chuàng)新達(dá)到市場(chǎng)需求，可分別說(shuō)明如下：
圖4 單點(diǎn)高流明輸出
圖5 多點(diǎn)組合輸出
圖6 晶圓級(jí)(Wafer Level)硅芯片封裝
在實(shí)行創(chuàng)新前，要先清楚產(chǎn)品最終的目標(biāo)，達(dá)到滿(mǎn)足預(yù)期市場(chǎng)上對(duì)LED封裝光源規(guī)格趨勢(shì)。
首先，須選定最適當(dāng)?shù)男酒私庑酒Y(jié)構(gòu)、芯片光電特性與芯片性?xún)r(jià)比，再來(lái)設(shè)計(jì)最佳的封裝結(jié)構(gòu)。目前高功率45密耳(mil)以上芯片封裝，在350毫安電流驅(qū)動(dòng)下，可以達(dá)到每瓦150至160流明，今日臺(tái)灣芯片在各國(guó)其他大廠的競(jìng)爭(zhēng)下，更可做出絕對(duì)優(yōu)于國(guó)外廠家的每美元160流明的規(guī)格。
其次，固晶上必須選用最佳芯片貼著(Die Attachement)材料及制程技術(shù)，用高導(dǎo)熱硅膠、銀膠(>15W/mk)甚至以助焊劑(Soldering Flux)焊錫(Cu-Sn-Au)，將芯片焊接在金屬基板，更或者以共金(Eutectic Bonding)制程將芯片熔接于硅芯片上。這些固晶制程的選用，都在于降低芯片節(jié)點(diǎn)溫度，提高在相同電流下的電光轉(zhuǎn)換效率和增加光效能，降低材料老化造成日后光衰的比例，以及提升固晶接著的可靠度。 此外，封裝單體載板(Substrate)的選用設(shè)計(jì)，過(guò)去以低功率的支架(Leadframe)為主，漸漸走入高功率的金屬支架(Metal Slug)，在進(jìn)入低溫共燒(LTCC)陶瓷(Ceramic)、高溫共燒(HTCC)陶瓷、芯片直接固定在各式金屬基板(Chip on Metal Board)，再到芯片固定在8吋硅芯片上，隨著功率不斷增加、光型的要求、單位面積內(nèi)的熱密度(Thermal Density)提高，對(duì)于封裝芯片載板設(shè)計(jì)的選用，必須去創(chuàng)新開(kāi)發(fā)更能加速熱傳導(dǎo)、更能萃取光輸出、更能減低材料變異而產(chǎn)生老化衰減的材料。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要因選用芯片的不同而有所改變，如此才能達(dá)到封裝整體效能的優(yōu)化，并不是購(gòu)買(mǎi)一般支架或公板陶瓷放入最大轉(zhuǎn)換功率(Power Flux)的芯片，即可封裝出最佳光效能組件。
另外，在現(xiàn)今LED照明應(yīng)用，雖有各種顏色的裝飾應(yīng)用，但最主要還是以白光為主，然而產(chǎn)生白光的方式不外乎紅綠藍(lán)光混光、紫外線(xiàn)激發(fā)紅綠藍(lán)熒光粉，或最為普遍的藍(lán)光加黃色為主的熒光粉。但談到創(chuàng)新，在此特別針對(duì)三個(gè)方向略述，其一為高演色性(CRI)，CRI大于80甚至于大于90，必須在熒光粉材料做創(chuàng)新開(kāi)發(fā)。對(duì)于封裝研發(fā)而言，必須進(jìn)行各波段熒光粉與接近610～630奈米紅色熒光粉，更甚至到655奈米紅色熒光粉進(jìn)行在不同封裝結(jié)構(gòu)下，及藍(lán)光波段搭配的實(shí)驗(yàn)比對(duì)，找到無(wú)論光輸出效率、演色性或色溫的最佳組合，再加上封裝膠材、點(diǎn)膠方式的不同及熒光粉沉淀與否，或多或少增加封裝難以控制的變量。其二，封膠和熒光粉涂布制程上的創(chuàng)新，從針筒點(diǎn)膠(Dispensing)到模具充填(Molding)、印刷填膠(Printing)、高精密度的噴膠充填(Conformal Coating and Inject Printing)等創(chuàng)新制程，提升產(chǎn)能、良率、出光效率，也改善出光的均勻性。此外，更具創(chuàng)新與商品化的是所謂的Remote Phosphor制程，其將熒光粉抽離芯片表面，在一定距離外，以不同的方式將熒光粉附著在透光結(jié)構(gòu)體上。飛利浦更將此創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用在燈泡類(lèi)產(chǎn)品，其光效成果與研究機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)單位過(guò)去發(fā)表的學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果或理論相去不遠(yuǎn)，確實(shí)可達(dá)每瓦100流明以上、CRI>80的效能。 最后，在照明封裝組件創(chuàng)新過(guò)程尚須注意演色性與出光效率(圖7)。
圖7 LED演色性與發(fā)光效率變化圖
降低結(jié)點(diǎn)溫度提高演色性
實(shí)際照明使用上是沒(méi)有人去看Tj=25℃下的瞬間流明效率，封裝的研發(fā)創(chuàng)新過(guò)程中，更要去注意溫度與光輸出的變異，而此變異也會(huì)明顯影響實(shí)際使用情況下的色溫差異及些微的演色性變異(圖7)，如燈泡類(lèi)、嵌入式下照燈具等，LED周?chē)h(huán)境都相當(dāng)輕易達(dá)到60～80℃，換言之，不是優(yōu)化的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，極為可能讓LED節(jié)點(diǎn)(Junction)溫度達(dá)到120～150℃，實(shí)際熱效應(yīng)造成光輸出的減低(Hot-cold Factor)會(huì)超過(guò)15%以上。為改善此弊病，整個(gè)照明系統(tǒng)的每一接口熱阻必須努力調(diào)降，以達(dá)到降低節(jié)點(diǎn)溫度目的，減少色溫偏差(圖8)。
圖8 LED周?chē)鷾囟扰c相對(duì)光束特性變化圖
創(chuàng)新模塊設(shè)計(jì)須考慮三大議題
完成最佳芯片封裝組件，就光特性而言已決定一大半，模塊設(shè)計(jì)上所須考慮的重要議題則是熱處理(Thermal Management)、電源控制和電路設(shè)計(jì)及二次光學(xué)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，而此三項(xiàng)的設(shè)計(jì)不佳，則輕易的就能在模塊系統(tǒng)中損失50%以上的光輸出效率，就算達(dá)到每瓦150流明，在組成系統(tǒng)之后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)終端產(chǎn)品只在60～70流明。
現(xiàn)將透過(guò)不同方式解決上述三個(gè)問(wèn)題：其一為采用高導(dǎo)熱材作，如模塊電路機(jī)板、在低導(dǎo)熱材機(jī)板上增加與空氣接觸面積、將LED組件(熱源)分散放置或?qū)l(fā)熱電子組件分離或遠(yuǎn)離LED光源，避免使用任何低導(dǎo)熱絕緣層來(lái)增加LED熱傳導(dǎo)過(guò)程中的阻力(熱阻)。其次為電路板面采高反射率絕緣漆來(lái)增加向下光的反射，以高效率的定電流控制組件減少電源消耗，同時(shí)采溫度控制機(jī)制調(diào)節(jié)定電流輸出，作為一種保護(hù)機(jī)制，以及采高壓交直流轉(zhuǎn)換電路降低變壓損耗。此外，采耐久高透光性或高反射性材料做二次光學(xué)透鏡或反射光學(xué)件，以專(zhuān)業(yè)光學(xué)仿真軟件計(jì)算設(shè)計(jì)仿真最佳出光效率。
創(chuàng)新照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)須兼顧開(kāi)創(chuàng)/不可取代/市場(chǎng)性
在此結(jié)合光機(jī)電熱的系統(tǒng)中，除選對(duì)或設(shè)計(jì)最佳LED組件，搭配最佳模塊熱管理及電路設(shè)計(jì)，加上使用二次光學(xué)，始完成最接近消費(fèi)者的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。當(dāng)然產(chǎn)品設(shè)計(jì)并非在此階段才開(kāi)始，而是在本文最早依據(jù)市場(chǎng)使用需求立論基礎(chǔ)而來(lái)。所有系統(tǒng)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，皆是為了最終產(chǎn)品目的。在創(chuàng)新LED照明框架下，終端產(chǎn)品本身必須具開(kāi)創(chuàng)性、不可取代性及市場(chǎng)性。
圖9由圓形單片組成光源體組合的鏤空立體燈具，雖然是歐司朗光電半導(dǎo)體(OSRAM Opto Semiconductors)以有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)設(shè)計(jì)而成的概念，但此概念在目前是可以商業(yè)化且充分兼顧LED照明功能的優(yōu)越性，以及對(duì)熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)的設(shè)計(jì)考慮。至于日本Panasonic電工所設(shè)計(jì)的薄型下照燈(圖10)，亦具備一般傳統(tǒng)光源所無(wú)法的取代性，超薄的尺寸透露輕巧的視覺(jué)感受，若采用AC LED更可將厚度再薄型化，當(dāng)然熱處理上必須考慮散熱面積、表面材質(zhì)的應(yīng)用處理，加上空氣對(duì)流設(shè)計(jì)，藉以降低空氣接觸面的熱阻，加速散熱效果。
圖9 歐司朗OLED概念照明
數(shù)據(jù)源：Panasonic電工
圖10 Panasonic電工開(kāi)發(fā)的薄型下照燈
至于戶(hù)外照明、建筑照明、特殊照明如養(yǎng)殖農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等其他LED照明應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)在基本上在光源封裝上要研發(fā)創(chuàng)新的部分差異不大，而是在模塊設(shè)計(jì)、電源電路控制及光學(xué)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，各有其使用環(huán)境限制、菜單現(xiàn)及波長(zhǎng)獨(dú)特性，仍需LED研發(fā)人員努力去開(kāi)創(chuàng)。